高水頭大流量管道型滲漏定量控制反向灌漿封堵新技術

王漢輝，于習軍，鄒德兵，閆福根

（長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司樞紐處，湖北武漢430010）

高水頭大流量管道型滲漏定量控制反向灌漿封堵新技術

王漢輝，于習軍，鄒德兵，閆福根

（長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司樞紐處，湖北武漢430010）

針對現(xiàn)有動水條件下處理高水頭大流量管道型滲漏時，存在的處理難度大、效果差、工期長、材料浪費嚴重，技術經(jīng)濟的可控性差問題，研發(fā)了能構建靜水環(huán)境的專利裝置止水灌漿盒，提出了定量控制反向灌漿封堵新技術，并成功應用于工程實踐。

管道型滲漏；定量控制；反向靜水灌漿；止水灌漿盒

在水利水電工程建設當中，高水頭大流量管道型集中滲漏問題時有發(fā)生，特別是在巖溶地區(qū)，發(fā)生的頻率較高［1-2］。如湖北清江的隔河巖水電站［3］、高壩洲水電站［4］、水布埡水電站，烏江的銀盤水電站［5］、洪家渡水電站［6］、索風營水電站［7］、構皮灘水電站以及嘉陵江亭子口水電站等，在工程建設或投產(chǎn)蓄水運行期間均發(fā)生過高水頭大流量管道型集中滲漏問題。這類問題的發(fā)生，嚴重影響工程建設的進展或運行期工程效益的正常發(fā)揮。

1 問題的提出

1.1 管道型滲漏處理技術現(xiàn)狀

當前管道型集中滲漏處理技術主要有兩類：一類是動水處理模式；另一類是靜水處理模式。

（1）動水處理模式：即在滲漏水流動條件下，采用拋投顆粒料、灌漿等工程措施封堵滲漏通道［8］。依據(jù)滲漏封堵措施實施的部位，又可細分為入滲口封堵和中間嵌堵兩種。入滲口封堵主要是通過對入滲區(qū)拋投防滲料來封堵滲漏通道，或修筑臨時圍堰，抽干積水后查明滲漏通道后再進行封堵。中間嵌堵法一般采用鉆孔拋投卵石或級配料、灌注混凝土或砂漿、水泥漿等方式形成一道連續(xù)防滲帷幕，來實現(xiàn)對滲漏通道的封堵［9］。

（2）靜水處理模式：即在防滲封堵前，采取平壓處理措施，臨時性降低滲漏水流速，使之達到靜水或低流速狀態(tài)，實現(xiàn)變動水條件為靜水環(huán)境后再進行封堵處理。

1.2 存在的問題

（1）動水模式：①水電工程中，管道型滲漏大多與江水或庫水連通，入滲口一般位于水下甚至是深水區(qū)，查明入滲口數(shù)量及位置難度非常大；中間嵌堵法需查明滲漏通道的發(fā)育走向與位置，但受限于復雜的地形地質條件，往往也難于查明。②在高水頭、大流速條件下，無論是入滲口封堵還是中間嵌堵，均存在因動水帶走封堵材料而導致的工程量大、成本高、施工復雜、工期長等問題［10］。

（2）靜水模式：傳統(tǒng)的處理方法一般僅適用于低水頭滲漏處理，難以用于高水頭、大流量的集中滲漏處理。

本文針對當前管道型滲漏處理技術存在的問題，提出了一種能夠適用于高水頭大流量管道型滲漏封堵處理的新技術。

2 技術原理

2.1 基本思想

反向控制靜水灌漿的基本思想是通過研發(fā)一種裝置，在管道型滲漏出口變動水條件為靜水環(huán)境，在出口進行定量控制反向灌漿封堵。該裝置應兼具導水、止水及反向灌漿等多重功能。

2.2 定量控制灌漿模型

反向控制靜水灌漿不僅需要充填滲漏管道本身，還要充填滲漏通道周邊一定范圍內(nèi)巖體的裂隙。同時，還需要求封堵體在高水頭作用下能夠滿足抗滑穩(wěn)定。運用賓漢姆流體漿液擴散理論［11］及隧洞封堵體抗滑穩(wěn)定理論［12］，建立了管道型滲漏出口反向控制靜水灌漿計算模型（圖1），并推導定量控制灌漿量計算公式（式（1）～式（3））。

圖1 “管道型”滲漏出口反向控制灌漿計算模型

式中：K為安全系數(shù)，一般可取3～5，根據(jù)集中滲漏規(guī)模、地質條件的復雜程度選取；γw為水重度；h0為總滲漏水頭；dd為巖溶管道直徑；df為裂隙截面直徑；τ容許剪切應力；P為灌漿壓力；Jf為裂隙滲透比降；Ld為封堵段總長度；Lf為裂隙漿液擴散距離；N為管道周圍裂隙總數(shù)，根據(jù)圍巖類別估算；V為水泥漿液總體積。

2.3 技術要點

2.3.1 止水灌漿盒研發(fā)與制安

（1）止水灌漿盒研發(fā)。止水灌漿盒應兼具滲漏導水、止水及反向灌漿等多重功能，是創(chuàng)造變動水條件為靜水環(huán)境的關鍵裝置。

考慮到止水灌漿盒在關閉控制閘閥、灌漿作業(yè)期間需承受較大的內(nèi)壓，加之搬運、安裝過程中易碰撞損壞，因此止水灌漿盒宜采用鋼板焊接預制；其結構型式、尺寸大小及排水管過流能力應根據(jù)滲漏規(guī)模、范圍、滲漏量以及滲漏點周邊地形、地質條件等因地制宜制作。制作時應遵循以下幾個原則：

1）止水灌漿盒尺寸大小應能將滲漏點（區(qū)）完全包圍；

2）止水灌漿盒結構形態(tài)應盡量與周邊地形銜接緊密；

3）止水灌漿盒導水能力應大于總滲漏量；

4）連接于止水灌漿盒排水管路上的控制閘閥耐壓性能滿足承受反向灌漿壓力的要求；

5）止水灌漿盒應密封焊接牢固并具有足夠的剛度。

圖2 止水灌漿盒結構圖

（2）止水灌漿盒安裝與止水。止水灌漿盒安裝一般采用現(xiàn)場制作，人工或機械吊裝的方式安裝。

止水灌漿盒安裝就位后的周邊止水工序極為關鍵。如果止水灌漿盒周邊止水不徹底，將導致混凝土與巖體接觸面多次發(fā)生擊穿漏水，從而加大堵漏處理的施工難度。

（3）關閘耐壓試驗。止水灌漿盒安裝埋設、周邊止水處理及加固完成后，應關閉控制閘閥進行關閘試驗。關閘過程應緩慢進行，并加強對止水灌漿盒周邊以及滲漏通道沿程的巡查，重點檢查如下內(nèi)容：①滲漏通道沿程是否有漏水現(xiàn)象；②止水灌漿盒周邊止水是否有效；③止水灌漿盒及控制閘閥自身能否承受滲漏水頭壓力等。一旦發(fā)現(xiàn)有漏水或破壞跡象時，應迅速打開閘閥，重新進行止水或加固處理，至關閘后止水灌漿盒周邊及滲漏通道沿程均不漏水為止。

圖3 止水灌漿盒實物圖

2.3.2 主要工藝流程

基本步驟如下：①止水灌漿盒和控制閘閥安裝→②止水灌漿盒周邊止水、加固→③關閘耐壓試驗→④接通灌漿管路→⑤打開控制閘閥→⑥開啟灌漿機進行反向灌漿。

2.3.3 主要控制參數(shù)

男女生身高與肺活量呈低度正相關（r男=0.394，r女=0.291，P＜0.01），身高與立定跳遠也呈低度正相關（r男=0.167，r女=0.149，P＜0.01）。這表明無論男生女生，身高越高，肺活量值越大，同時立定跳遠跳得越遠。憑借常識我們可判斷出身高與立定跳遠的相關，但身高與肺活量相關方面的研究還不多，是否存在身高與肺活量之間有中間變量影響？假設身高高的人生長發(fā)育較身高矮的人發(fā)育良好，身高高的人平時更注重抬頭挺胸直腰，要驗證這一假設還有待深入研究。

（1）灌漿方法及材料

為便于控制反向灌漿注入率，并避免灌漿過程中進漿管路出現(xiàn)堵管事故，反向灌漿宜采用孔口循環(huán)純壓式灌漿法施工。由于安裝止水灌漿盒已經(jīng)將集中滲漏的動水條件變?yōu)殪o水條件，灌漿材料不會被高流速的水流帶走，屬于回填灌漿的范疇，可直接采用濃水泥漿液進行灌注，且灌漿過程中一般不需要添加速凝劑。反向灌漿實施前應充分做好各項準備工作，尤其是需配備足夠的灌漿設備、材料等，以確保灌漿作業(yè)須連續(xù)進行，灌漿過程應不間歇、不中斷。

（2）灌漿壓力

參照涌水灌漿處理經(jīng)驗，反向灌漿的壓力一般按照下式控制［14］：

其中：P為反向灌漿壓力；P1為滲漏出口涌水壓力，當P1不便實測時，P可按滲漏總水頭（不計沿程損失）初步估算；P2為反向灌漿進漿壓力，一般參照回填灌漿壓力取值0.2 MPa～0.3 MPa。

當灌漿過程中出現(xiàn)灌漿壓力不變、注入率減小趨勢時，可適當加大灌漿壓力，前提是不造成周邊巖體及滲漏通道沿程巖體被擊穿。

（3）灌漿結束標準

由于集中滲漏通道大多規(guī)模大，且多于與庫水、江水連通，灌漿作業(yè)很難像帷幕灌漿、固結灌漿那樣達到水泥灌漿規(guī)范規(guī)定的正常灌漿結束標準［15］，須在灌前制定一個合理的控制性灌漿結束標準。

反向控制灌漿結束標準原則上可采用以下3種方法控制：①總灌漿時間控制；②漿液出現(xiàn)初凝時間節(jié)點控制；③灌漿總量（總注灰量）控制。相對而言，灌漿總量控制法更能保證灌漿效果、質量，可靠性更好，因此推薦灌漿結束標準一般按灌漿總量控制。

灌漿總量控制標準主要根據(jù)滲漏通道的斷面、長度等規(guī)模特征，按式（1）～式（3）進行估算。

3 銀盤水電站管道型滲漏處理應用

3.1 工程簡介

銀盤水電站位于烏江下游重慶市武隆縣境內(nèi)，是烏江干流水電開發(fā)的第十一個梯級，工程主要由擋泄洪建筑物、電站廠房和通航建筑物等組成。大壩為混凝土重力壩，最大壩高78.5 m，正常蓄水位215.0 m，總庫容3.2億m3。工程分三期建設。

工程地處碳酸鹽地區(qū)，壩址區(qū)發(fā)育多個巖溶管道系統(tǒng)。由于巖溶發(fā)育，地質條件復雜，三期基坑開挖過程中沿巖溶系統(tǒng)發(fā)生了多處規(guī)模較大的管道型滲漏，其中以KW89巖溶管道滲漏為代表。

2011年7月，三期基坑船閘開挖至高程159 m左右時，閘室1左塊集水井附近的KW89巖溶出現(xiàn)了涌泉狀漏水，流量約180 m3/h～210 m3/h。隨后進行集水井開挖時，漏水量劇增，最終發(fā)展成2處大漏量集中滲漏，總滲漏水量達6 000 m3/h（1.7 m3/s）左右，滲水水頭約22 m，滲漏規(guī)模實屬罕見。

滲漏發(fā)生后，先后采用了多種常規(guī)封堵措施進行堵漏，歷時長達1年，均未取得明顯效果。采用本文提出的管道型滲漏反向控制靜水灌漿技術總共耗時僅2.5個月就成功封堵了滲漏通道。

3.2 封堵處理方案

3.2.1 止水灌漿盒制作

管道型滲漏主要集中在兩處，根據(jù)滲流量大小及滲漏通道處地質條件，經(jīng)研究決定采用兩個大型止水鋼板灌漿盒，尺寸分別為4.0 m×5.0 m×1.5 m、2.0 m×3.0 m×1.5 m的大型止水灌漿盒進行處理，其側壁均連接4根直徑φ630 mm的排水管，引排集中滲漏水流。

3.2.2 止水灌漿盒安裝、埋設

由于兩個止水灌漿盒尺寸都很大，均采用機械就位。止水灌漿盒就位后，再澆筑壓重混凝土止水、固定。為避免反灌封堵過程中，混凝土與基巖接觸面發(fā)生擊穿滲漏，混凝土澆筑完成后，又進行了接觸灌漿處理。安裝成功后的止水灌漿盒見圖4所示。

圖4 銀盤水電站溶滲漏處理實景圖

混凝土澆筑達設計厚度后，于2011年9月11日進行了關閘耐壓試驗，關閘后周邊巖體、混凝土與基巖接觸部位均無滲漏現(xiàn)象。關閥試驗成功，具備了實施反向灌漿前提條件。

3.2.3 反向灌漿

根據(jù)定量控制灌漿模型，初步估算需灌漿約80 m3。根據(jù)滲漏水頭大小，初步擬定反向灌漿設計壓力為0.3 MPa。采用0.5∶1濃水泥漿，不摻加速凝劑。注入率初期按30 L/min～50 L/min控制，一般按50 L/min～60 L/min控制，最大達到近80 L/min。

反向灌漿總歷時約40 h，共灌入水泥總量約435 t（約82 m3）。反向灌漿結束并待凝48 h后，打開閉漿管路，檢查無滲水現(xiàn)象，管道型滲漏處理取得圓滿成功。

3.2.4 應用效果分析

銀盤水電站三期基坑KW89巖溶管道型滲漏處理工程實踐表明，管道型滲漏反向控制靜水灌漿新技術在處理高水頭大流量滲漏方面具有以下顯著優(yōu)點：

（1）處理質量可靠。一次封堵處理成功，灌后檢查，防滲封堵質量良好，達到了預期目的和效果。

（2）封堵處理時間短。本次管道型滲漏處理項目前后占用施工工期共約14個月，處理過程中采用了多種方法，耗時近一年，但均未獲成功，最終采用本項新技術進行處理。其施工工期為：止水灌漿盒制作、埋設及蓋重混凝土澆筑約1.5個月，接觸灌漿約5 d，反向封堵灌漿僅約2 d，總施工工期約2.5個月，遠遠小于前期無效處理所浪費的施工工期。

（3）處理投資小。由于在靜水環(huán)境下灌漿，水泥等材料不易被動水帶走，處理費用相對傳統(tǒng)方法節(jié)約很多。

4 結 語

（1）本文針對工程中常見的高水頭大流量的集中滲漏處理問題，提出了一項定量控制反向灌漿封堵新技術。

（2）該項技術的關鍵是借助自主研發(fā)的專利裝置止水灌漿盒，在出口構建靜水灌漿環(huán)境，進行反向充填式灌漿。

（3）銀盤水電站等工程應用實踐表明，該項新技術具有封堵速度快、可靠性高、投資少等優(yōu)點，值得在今后類似工程中進行推廣使用。

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New Plug Technology of Quantitative Control and Reverse Grouting for High Head and Large Flow Pipeline Leakage

WANG Hanhui，YU Xijun，ZOU Debing，YAN Fugen
（Changjiang Survey Planing Design and Research Co.，Ltd，Wuhan，Hubei 430010，China）

Aiming at the pipeline leakage with high head and large flow，the traditional treatment under the conditions of flowing water will cause some problems，such as construct difficult，poor effect，long duration，material seriously waste. In order to solve the economic and technological controllability problem，a new technique of quantitative control of reverse grouting has been proposed and a patented device which can create static water environment for grouting has been developed as well.

pipeline leakage；quantitative control；reverse hydrostatic grouting；waterproof filling box

TU433

A

1672—1144（2016）05—0160—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.031

2016－05－23

2016－06－19

王漢輝（1977—），男，江西南昌人，碩士，高級工程師，主要從事水利水電工程基礎處理設計工作。E－mail：wanghanhui@cjwsjy.com.cn